JP6324848B2 - Method for forming waveguide material film - Google Patents
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Description
本発明は、光導波路を構成するための光導波路材料からなる光導波路材料膜の形成方法に関する。 The present invention relates to a method for forming an optical waveguide material film made of an optical waveguide material for constituting an optical waveguide.
シリコン基板の上に形成された光導波路を基本とする平面導波型光回路は、作製プロセスに半導体装置の製造技術を利用できるため、まず、作製が容易であり、また、集積化および大規模化にも有利であるなどの特徴を有している。このため、この平面導波型光回路は、光分岐,光スイッチ,波長フィルターなどの光通信のキー部品に広く利用されている。現在の光通信システムに導入されている一般的な平面導波路型光回路は、導波路のコアおよびクラッドが、主に石英系材料で構成されている。 A planar waveguide optical circuit based on an optical waveguide formed on a silicon substrate is easy to manufacture because it can use semiconductor device manufacturing technology in the manufacturing process. It is also advantageous in that For this reason, this planar waveguide type optical circuit is widely used for optical communication key parts such as an optical branch, an optical switch, and a wavelength filter. In a general planar waveguide type optical circuit introduced in the current optical communication system, the core and clad of the waveguide are mainly composed of a quartz-based material.
一方、光デバイスの大幅な小型化、高集積化、さらにはシリコン電子素子との融合を目的に、近年、導波路のコアに、石英の代わりにより屈折率の大きい材料の適用が検討されている。このような材料として、例えば、ＳｉＯＮやＳｉＮがある。比屈折率差が１〜３％の石英導波路では、最小の曲げ半径がおよそ３００μｍと大きいために集積度の向上が難しいが、比屈折率差が２４％のＳｉＮ導波路の最小の曲げ半径は３０μｍ程度であり、石英導波路と比較して集積度の向上が期待できる。 On the other hand, for the purpose of drastic downsizing and high integration of optical devices, and fusion with silicon electronic elements, in recent years, the application of a material having a higher refractive index to the core of the waveguide instead of quartz has been studied. . Examples of such a material include SiON and SiN. In a quartz waveguide having a relative refractive index difference of 1 to 3%, it is difficult to improve the degree of integration because the minimum bending radius is as large as about 300 μm. However, the minimum bending radius of a SiN waveguide having a relative refractive index difference of 24% is difficult. Is about 30 μm, and an improvement in integration can be expected as compared with a quartz waveguide.
また、ＳｉＯＮ導波路の酸素と窒素の組成比を変化させることで、比屈折率差を１〜２４％の間で選択することができる。これによって、パッシブデバイスなどにおける干渉光学系を作製する際に最適な比屈折率差を選択することができ、設計自由度の向上が期待できる。 Further, the relative refractive index difference can be selected between 1 and 24% by changing the composition ratio of oxygen and nitrogen in the SiON waveguide. As a result, the optimum relative refractive index difference can be selected when an interference optical system in a passive device or the like is manufactured, and an improvement in design flexibility can be expected.
一方で、ＳＯＩ基板を用いることで形成されるＳｉ導波路の比屈折率差は４１％であり、最小曲げ半径はおよそ３μｍと非常に小さいため、ＳｉＯＮ導波路よりも高い集積度が期待できる。しかしながら、高すぎる光閉じ込めによって、Ｓｉ導波路では加工誤差起因による位相誤差が大きく現れてしまう。例えば、幅４４０ｎｍ、厚さ２２０ｎｍのサイズを持つＳｉ導波路コアにおいて、コア幅加工誤差が１ｎｍの場合に引き起こされる実効屈折率変化は、−０．００２ｎｍ-1と極めて大きい。 On the other hand, since the relative refractive index difference of the Si waveguide formed by using the SOI substrate is 41% and the minimum bending radius is as small as about 3 μm, a higher degree of integration than that of the SiON waveguide can be expected. However, due to the light confinement that is too high, a phase error due to a processing error appears greatly in the Si waveguide. For example, in an Si waveguide core having a size of 440 nm in width and 220 nm in thickness, the effective refractive index change caused when the core width processing error is 1 nm is as extremely large as −0.002 nm −1 .
また、Ｓｉは非線形性が高い材料であり、特に比屈折率差が高く光閉じ込めが強いＳｉ導波路内では、高いパワー密度によって四光波混合によるクロストーク増大や二光子吸収による損失増大が発生するため、非線形効果を無視できなくなる。材料の非線形定数と導波路内のモードフィールド径を考慮した実効非線形パラメータγの値は、Ｓｉ導波路の場合γ〜３００［Ｗ-1ｍ-1］である。またＳｉは、バンドギャップが小さいため二光子吸収が発現してしまい、二光子吸収係数βの値は０．９［ｃｍ／ＧＷ］と大きく、過剰損失の原因となる。 In addition, Si is a material with high nonlinearity, and particularly in a Si waveguide with a high relative refractive index difference and strong optical confinement, high power density causes increased crosstalk due to four-wave mixing and increased loss due to two-photon absorption. Therefore, the nonlinear effect cannot be ignored. The value of the effective nonlinear parameter γ considering the nonlinear constant of the material and the mode field diameter in the waveguide is γ to 300 [W −1 m −1 ] in the case of the Si waveguide. Further, since Si has a small band gap, two-photon absorption occurs, and the value of the two-photon absorption coefficient β is as large as 0.9 [cm / GW], which causes excessive loss.
Ｓｉ導波路内における非線形効果の発現は、数十ｄＢｍのパワーの光を入力した際に特に顕著な問題となる。これは、波長分割多重伝送を用いて多波長の光を用いる場合や、デジタルコヒーレント伝送における高いパワーを必要とする局発光を用いる場合においても非線形効果が実用上の問題となる。 The manifestation of the nonlinear effect in the Si waveguide becomes a particularly significant problem when light having a power of several tens of dBm is input. In the case of using multi-wavelength light using wavelength division multiplex transmission or in the case of using local light that requires high power in digital coherent transmission, the nonlinear effect becomes a practical problem.
一方で、ＳｉＮを用いた光導波路の場合は、γ〜１．４［Ｗ-1ｍ-1］であり、Ｓｉ導波路の非線形効果よりも十分に小さくすることができるため、四光波混合によるクロストーク増大を抑制することができる。また、ＳｉＮは絶縁体であるため、バンドギャップは非常に大きく、二光子吸収の効果は無視できることから、パワー耐性を高くすることが可能である。 On the other hand, in the case of an optical waveguide using SiN, it is γ to 1.4 [W −1 m −1 ], which can be made sufficiently smaller than the nonlinear effect of the Si waveguide. An increase in crosstalk can be suppressed. Further, since SiN is an insulator, the band gap is very large and the effect of two-photon absorption can be ignored, so that the power resistance can be increased.
上述した特徴を備える光導波路材料としてのＳｉＯＮおよびＳｉＮは、一般には、プラズマＣＶＤ（Chemical vapor deposition）法により膜として形成して用いられている。プラズマＣＶＤ法により上記材料の成膜では、シリコン供給源としてＳｉＨ4，Ｓｉ2Ｈ6などが用いられ、酸素供給源としてＯ2が用いられ、窒素供給源としてＮ2，ＮＨ3，ＮＯ，ＮＯ2，Ｎ2Ｏなどの窒素化合物が用いられている。 SiON and SiN as optical waveguide materials having the above-described characteristics are generally used as films formed by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition). In the film formation of the above materials by the plasma CVD method, SiH 4 , Si 2 H 6 or the like is used as a silicon supply source, O 2 is used as an oxygen supply source, and N 2 , NH 3 , NO, NO is used as a nitrogen supply source. Nitrogen compounds such as 2 and N 2 O are used.
例えば、プラズマＣＶＤによるＳｉＯＮ膜の形成では、原料ガスとしてＳｉＨ4，Ｏ2，Ｎ2が用いられている。また、プラズマＣＶＤによるＳｉＯＮ膜の形成では、上記原料ガスの供給流量比を変えることで酸素と窒素の元素比率を変えることができ、ＳｉＯＮ膜の屈折率をコントロールできる。具体的には，ＳｉＯxの屈折率ｎ≒１．５からＳｉＮの屈折率ｎ≒２．０程度である。なお、ＳｉＮの屈折率は、ＳｉＯｘとＳｉ（ｎ≒３．５）の屈折率の中間に位置する。 For example, in forming a SiON film by plasma CVD, SiH 4 , O 2 , and N 2 are used as source gases. In the formation of the SiON film by plasma CVD, the element ratio of oxygen and nitrogen can be changed by changing the supply flow rate ratio of the source gas, and the refractive index of the SiON film can be controlled. Specifically, the refractive index n of SiO x is approximately 1.5 to the refractive index n of SiN is approximately 2.0. Note that the refractive index of SiN is located between the refractive indexes of SiOx and Si (n≈3.5).
しかしながら、上述したＳｉＨ4，Ｓｉ2Ｈ6などの原料ガスを用いる場合、形成されるＳｉＮ膜やＳｉＯＮ膜中にＮ−Ｈ基が形成される。Ｎ−Ｈ基の伸縮振動では、λ＝１．５μｍにおける光吸収が生じるため、膜中にＮ−Ｈ基が形成されているＳｉＮおよびＳｉＯＮを用いて光導波路を構成した際の光吸収が問題となる。 However, when the source gas such as SiH 4 or Si 2 H 6 described above is used, N—H groups are formed in the formed SiN film or SiON film. In the stretching vibration of the N—H group, light absorption occurs at λ = 1.5 μm. Therefore, there is a problem in light absorption when an optical waveguide is formed using SiN and SiON in which an N—H group is formed in the film. It becomes.
この問題を解消するためには、膜中におけるＮ−Ｈ基を低減すればよいが、このために原料ガスにＨを含まないガス系を用いた成膜法が検討されている。具体例としては，Ｓｉ系材料ガスとして、ＳｉＣｌ4，Ｓｉ2Ｃｌ6，ＳｉＦ4を用い、Ｏ2，Ｏ3，Ｎ2，ＮＯ，Ｎ2Ｏを組み合わせてＳｉＮ膜およびＳｉＯＮ膜の形成が試されている。 In order to solve this problem, N—H groups in the film may be reduced. For this purpose, a film forming method using a gas system that does not contain H as a source gas has been studied. As a specific example, SiCl 4 , Si 2 Cl 6 , and SiF 4 are used as Si-based material gases, and the formation of a SiN film and a SiON film is tried by combining O 2 , O 3 , N 2 , NO, and N 2 O. Has been.
しかしながら、ＳｉＣｌ4，Ｓｉ2Ｃｌ6，ＳｉＦ4などのハロゲン系シリコン化合物と、窒素化合物とを原料ガスとして用いる場合、形成される膜中にＳｉ−Ｃｌ基，Ｓｉ−Ｆ基が残るという問題がある。この点について、図３を用いて説明する。図３は、ＳｉＣｌ4ガスを用いたＥＣＲ（Electron cyclotron resonance）プラズマＣＶＤ法により形成したＳｉＯＮ膜およびＳｉＯ2膜の、ＥＤＳ（Energy dispersive x-ray spectroscopy）の結果を示す特性図である。各膜の形成における原料ガスの供給条件，形成膜厚，形成された膜の屈折率は、以下の表１に示す。なお、表１中のｓｃｃｍは流量の単位であり、０℃・１０１３ｈＰａの流体が１分間に１ｃｍ3流れることを示す。 However, when halogen-based silicon compounds such as SiCl 4 , Si 2 Cl 6 , and SiF 4 and nitrogen compounds are used as source gases, there is a problem that Si—Cl groups and Si—F groups remain in the formed film. is there. This point will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a characteristic diagram showing the results of EDS (Energy Dispersive x-ray spectroscopy) of the SiON film and the SiO 2 film formed by ECR (Electron Cyclotron Resonance) plasma CVD using SiCl 4 gas. Table 1 below shows the supply conditions of the source gas in the formation of each film, the formed film thickness, and the refractive index of the formed film. In Table 1, sccm is a unit of flow rate, and indicates that a fluid at 0 ° C. and 1013 hPa flows 1 cm 3 per minute.
図３に示すように、ＳｉＯＮ膜とＳｉＯ2膜のＫα（Ｃｌ）を比較すると、ＳｉＯＮ膜の方が膜中にＣｌが多く含まれているのが分かる。これは、ＳｉＣｌ4ガスに反応する窒素プラズマの酸化力が、酸素プラズマと比較して低いためであり、窒素プラズマでは膜中にＳｉ−Ｃｌ基が多く残ったまま成膜される。 As shown in FIG. 3, comparing the Kα (Cl) of the SiON film and the SiO 2 film, it can be seen that the SiON film contains more Cl in the film. This is because the oxidizing power of nitrogen plasma that reacts to SiCl 4 gas is lower than that of oxygen plasma. In nitrogen plasma, a film is formed with many Si—Cl groups remaining in the film.
膜中に残留するＳｉ−Ｃｌ基またはＳｉ−Ｆ基は、成膜後に大気中のＨ2Ｏと、次に示す化学反応を起こす。「Ｓｉ−Ｃｌ＋Ｈ2Ｏ→Ｓｉ−ＯＨ＋ＨＣｌ↑・・・（１）」。「Ｓｉ−Ｆ＋Ｈ2Ｏ→Ｓｉ−ＯＨ＋ＨＦ↑・・・（２）」。反応式（１），（２）に示すように、Ｓｉ−Ｃｌ基またはＳｉ−Ｆ基を含んだ膜は、大気中またはプロセス中のＨ2Ｏと反応することで酸化されてしまう。このため、ハロゲン系シリコン化合物を用いて成膜し、膜中にＳｉ−Ｃｌ基，Ｓｉ−Ｆ基などのシリコンとハロゲン元素との結合基が形成されると、高屈折率化が難しいという問題がある。 The Si—Cl group or Si—F group remaining in the film causes the following chemical reaction with H 2 O in the air after the film formation. “Si—Cl + H 2 O → Si—OH + HCl ↑ (1)”. “Si—F + H 2 O → Si—OH + HF ↑ (2)”. As shown in the reaction formulas (1) and (2), the film containing Si—Cl group or Si—F group is oxidized by reacting with H 2 O in the atmosphere or in the process. For this reason, when a film is formed using a halogen-based silicon compound and a bonding group of silicon and a halogen element such as Si—Cl group or Si—F group is formed in the film, it is difficult to increase the refractive index. There is.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光吸収が生じる結合基や、雰囲気の酸素と結合して屈折率の低下を招く結合基などの生成を抑制してＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜が形成できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and suppresses the generation of a linking group that generates light absorption or a linking group that combines with oxygen in the atmosphere and causes a decrease in refractive index. An object of the present invention is to form a SiN film or a SiON film.
本発明に係る導波路材料膜の形成方法は、プラズマＣＶＤ法により、基板の上にハロゲン系シリコン化合物からなる原料ガスを供給して基板の上にＳｉＮまたはＳｉＯＮからなる導波路材料膜を形成する工程を備え、原料ガスとは別の、重水素を含む水素供給ガスより重水素イオンを生成し、生成した重水素イオンを基板の上に供給して導波路材料膜を形成する。 The method for forming a waveguide material film according to the present invention forms a waveguide material film made of SiN or SiON on a substrate by supplying a source gas made of a halogen-based silicon compound on the substrate by plasma CVD. comprising the step, separate from the raw material gas to produce a deuterium ion Ri by hydrogen feed gas containing heavy hydrogen, the generated deuterium ions to form a waveguide material film is supplied onto the substrate.
上記導波路材料膜の形成方法において、ハロゲン系シリコン化合物は、ＳｉＣｌ4，Ｓｉ2Ｃｌ6，ＳｉＨＣｌ3，ＳｉＨ2Ｃｌ2，ＳｉＨ3Ｃｌ，ＳｉＤＣｌ3，ＳｉＤ2Ｃｌ2，ＳｉＤ3Ｃｌ，ＳｉＦ4，Ｓｉ2Ｆ6，ＳｉＨＦ3，ＳｉＨ2Ｆ2，ＳｉＨ3Ｆ，ＳｉＤＦ3，ＳｉＤ2Ｆ2，ＳｉＤ3Ｆの少なくとも１つから構成すればよい。 In the above-described method for forming a waveguide material film, the halogen-based silicon compounds are SiCl 4 , Si 2 Cl 6 , SiHCl 3 , SiH 2 Cl 2 , SiH 3 Cl, SiDCl 3 , SiD 2 Cl 2 , SiD 3 Cl, and SiF 4. , Si 2 F 6 , SiHF 3 , SiH 2 F 2 , SiH 3 F, SiDF 3 , SiD 2 F 2 , and SiD 3 F may be used.
上記導波路材料膜の形成方法において、水素供給ガスは、Ｄ 2 ，ＮＤ3の少なくとも１つから構成すればよい。 In the method for forming a waveguide material film, the hydrogen supply gas may be composed of at least one of D 2 and N D 3 .
上記導波路材料膜の形成方法において、プラズマＣＶＤ法は、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法であるとよい。この場合、水素供給ガスは、ＥＣＲプラズマを生成するプラズマ生成室に供給し、水素供給ガスのプラズマより水素イオンまたは重水素イオンを生成すればよい。 In the above-described method for forming a waveguide material film, the plasma CVD method may be an ECR plasma CVD method. In this case, the hydrogen supply gas may be supplied to a plasma generation chamber that generates ECR plasma, and hydrogen ions or deuterium ions may be generated from the plasma of the hydrogen supply gas.
以上説明したように、本発明によれば、原料ガスとは別の水素供給ガスより水素イオンまたは重水素イオンを生成して供給するようにしたので、光吸収が生じる結合基や、雰囲気の酸素と結合して屈折率の低下を招く結合基などの生成を抑制してＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜が形成できるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, hydrogen ions or deuterium ions are generated and supplied from a hydrogen supply gas different from the source gas. An excellent effect is obtained in that the formation of a bonding group or the like that causes a decrease in the refractive index due to the bonding can be suppressed and a SiN film or a SiON film can be formed.
以下、本発明の実施の形態について図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における導波路材料膜の形成方法を説明するためのフローチャートである。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a flowchart for explaining a method of forming a waveguide material film in the embodiment of the present invention.
まず、ステップＳ１０１で、対象とする基板を所定の温度に加熱する。例えば、一般に用いられているプラズマＣＶＤ装置を用い、この処理室内に基板を搬入して基板台の上に載置し、処理室内を密閉状態とする。この状態で、基板台に設けられている温度制御機構を動作させ、基板を所定の温度に加熱または冷却する。ここで、基板を必ずしも温度制御しておく必要はない。 First, in step S101, the target substrate is heated to a predetermined temperature. For example, a commonly used plasma CVD apparatus is used, and the substrate is loaded into the processing chamber and placed on the substrate table, and the processing chamber is sealed. In this state, the temperature control mechanism provided on the substrate table is operated to heat or cool the substrate to a predetermined temperature. Here, it is not always necessary to control the temperature of the substrate.
また、ステップＳ１０２で、基板の上にハロゲン系シリコン化合物からなる原料ガスを供給し、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＮまたはＳｉＯＮからなる導波路材料膜を形成する。例えば、ＳｉＣｌ4，Ｓｉ2Ｃｌ6，ＳｉＨＣｌ3，ＳｉＨ2Ｃｌ2，ＳｉＨ3Ｃｌ，ＳｉＤＣｌ3，ＳｉＤ2Ｃｌ2，ＳｉＤ3Ｃｌ，ＳｉＦ4，Ｓｉ2Ｆ6，ＳｉＨＦ3，ＳｉＨ2Ｆ2，ＳｉＨ3Ｆ，ＳｉＤＦ3，ＳｉＤ2Ｆ2，ＳｉＤ3Ｆの少なくとも１つのガスを基板上（処理室）に供給する。 In step S102, a source gas made of a halogen-based silicon compound is supplied onto the substrate, and a waveguide material film made of SiN or SiON is formed by plasma CVD. For example, SiCl 4 , Si 2 Cl 6 , SiHCl 3 , SiH 2 Cl 2 , SiH 3 Cl, SiDCl 3 , SiD 2 Cl 2 , SiD 3 Cl, SiF 4 , Si 2 F 6 , SiHF 3 , SiH 2 F 2 , At least one gas of SiH 3 F, SiDF 3 , SiD 2 F 2 , and SiD 3 F is supplied onto the substrate (processing chamber).
また、ステップＳ１０３で、原料ガスとは別の水素供給ガスより水素イオンまたは重水素イオンを生成し、生成した水素イオンまたは重水素イオンを基板の上に供給する。例えば、Ｈ2，Ｄ2，ＮＨ3，ＮＤ3の少なくとも１つのガスを用い、水素イオンまたは重水素イオンを生成して供給する。 In step S103, hydrogen ions or deuterium ions are generated from a hydrogen supply gas different from the source gas, and the generated hydrogen ions or deuterium ions are supplied onto the substrate. For example, hydrogen ions or deuterium ions are generated and supplied using at least one gas of H 2 , D 2 , NH 3 , and ND 3 .
ここで、水素イオンまたは重水素イオンの供給は、基板の上にハロゲン系シリコン化合物からなる原料ガスを供給してプラズマＣＶＤ法によりＳｉＮまたはＳｉＯＮからなる導波路材料を堆積しているときに実施すればよい。また、所定の厚さに導波路材料膜が形成された段階でハロゲン系シリコン化合物からなる原料ガスの供給を停止してから、基板上に水素イオンまたは重水素イオンを供給してもよい。 Here, the supply of hydrogen ions or deuterium ions is performed when a source gas made of a halogen-based silicon compound is supplied onto a substrate and a waveguide material made of SiN or SiON is deposited by plasma CVD. That's fine. Alternatively, hydrogen ions or deuterium ions may be supplied onto the substrate after the supply of the source gas made of the halogen-based silicon compound is stopped at the stage where the waveguide material film is formed to a predetermined thickness.
上述した実施の形態によれば、水素イオンを供給するので、供給した水素イオンが導波路材料膜におけるＳｉ−Ｃｌ基またはＳｉ−Ｆ基などを構成しているハロゲン元素と反応し、ＨＣｌ，ＨＦを生成する。これらは、基板上の導波路材料膜より脱離される。 According to the above-described embodiment, since hydrogen ions are supplied, the supplied hydrogen ions react with a halogen element that constitutes a Si—Cl group or a Si—F group in the waveguide material film, thereby causing HCl, HF. Is generated. These are detached from the waveguide material film on the substrate.
また、Ｄ2やＮＤ3などを用いて重水素イオンを供給する場合、重水素イオンが、Ｓｉ−Ｃｌ基またはＳｉ−Ｆ基などを構成しているハロゲン元素と反応し、ＤＣｌ，ＤＦを生成する。これらも、基板上の導波路材料膜より脱離される。 In addition, when deuterium ions are supplied using D 2 or ND 3 , the deuterium ions react with a halogen element constituting a Si—Cl group or Si—F group to generate DCl and DF. To do. These are also detached from the waveguide material film on the substrate.
以上のことにより、実施の形態によれば、形成された導波路材料膜中においては、Ｓｉ−Ｃｌ基またはＳｉ−Ｆ基などが低減され、屈折率の低下を防止できる。また、実施の形態によれば、原料ガスとしてハロゲン系シリコン化合物を用いているので、導波路材料膜中にＮ−Ｈ基を形成することが抑制され、光吸収による問題が防止できる。 As described above, according to the embodiment, in the formed waveguide material film, Si—Cl groups or Si—F groups are reduced, and a decrease in refractive index can be prevented. In addition, according to the embodiment, since a halogen-based silicon compound is used as the source gas, formation of N—H groups in the waveguide material film is suppressed, and problems due to light absorption can be prevented.
ここで、シリコン原料ガス、酸素原料ガス、窒素原料ガスのいずれにおいても、水素が含まれていない場合、導波路材料膜中における水素量が大幅に低減されるため、特に上述した効果が顕著に得られる。また、シリコン原料ガス、酸素原料ガス、窒素原料ガスに水素が含まれている場合においても、ＳｉＨ4，Ｓｉ2Ｈ6をシリコン原料として用いた場合に比較して、導波路材料膜中の水素量を低減できるので、実施の形態における効果が得られる。 Here, in any of the silicon source gas, the oxygen source gas, and the nitrogen source gas, when hydrogen is not included, the amount of hydrogen in the waveguide material film is greatly reduced. can get. Further, even when hydrogen is contained in the silicon source gas, the oxygen source gas, and the nitrogen source gas, the hydrogen in the waveguide material film is compared with the case where SiH 4 and Si 2 H 6 are used as the silicon source. Since the amount can be reduced, the effect in the embodiment can be obtained.
次に、本発明の実施の形態における導波路材料膜の形成方法を実施する製造装置について説明する。導波路材料膜の形成では、例えば、図２に示すようなＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を用いればよい。 Next, a manufacturing apparatus for carrying out the method for forming a waveguide material film in the embodiment of the present invention will be described. In forming the waveguide material film, for example, an ECR plasma CVD apparatus as shown in FIG. 2 may be used.
ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置は、図２に示すように、プラズマ生成室２０１と、プラズマ生成室２０１に連通する成膜室２０２とを備える。成膜室２０２の内部には、基板台２０３が固定されている。プラズマ生成室２０１の周囲には、例えば、０．０８７５Ｔ（テスラ）の磁場をプラズマ生成室２０１内に発生させる磁気コイル２０４が備えられている。また、プラズマ生成室２０１には、図示しないマイクロ波供給源により例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波が、矩形導波管２０５および石英窓２０６を介して供給可能とされている。 As shown in FIG. 2, the ECR plasma CVD apparatus includes a plasma generation chamber 201 and a film formation chamber 202 that communicates with the plasma generation chamber 201. A substrate table 203 is fixed inside the film forming chamber 202. Around the plasma generation chamber 201, for example, a magnetic coil 204 that generates a magnetic field of 0.0875 T (Tesla) in the plasma generation chamber 201 is provided. In addition, for example, a microwave of 2.45 GHz can be supplied to the plasma generation chamber 201 through a rectangular waveguide 205 and a quartz window 206 by a microwave supply source (not shown).
また、プラズマ生成室２０１には、Ｎ2ガスおよびＯ2ガスなどを導入する導入管２０７が接続され、成膜室２０２には、ＳｉＣｌ4などの原料ガスを導入する導入管２０８が接続されている。また、基板台２０３には図示しない温度制御部が内蔵され、基板台２０３上に載置される基板２０９の温度を制御可能としている。 The plasma generation chamber 201 is connected with an introduction pipe 207 for introducing N 2 gas, O 2 gas, and the like, and the film formation chamber 202 is connected with an introduction pipe 208 for introducing a source gas such as SiCl 4. Yes. The substrate table 203 includes a temperature control unit (not shown) so that the temperature of the substrate 209 placed on the substrate table 203 can be controlled.
例えば、プラズマ生成室２０１および成膜室２０２を、成膜室２０２に連通している図示しない排気機構により減圧排気して所定の圧力とした後、導入管２０７よりＮ2ガスおよびＯ2ガスなどを導入し、所定の圧力に維持する。この状態で、石英窓２０６を介して２．４５ＧＨｚのマイクロ波をプラズマ生成室２０１に導入し、加えて、磁気コイル２０４により０．０８７５Ｔの磁場を供給して電子サイクロトロン共鳴条件とすれば、プラズマ生成室２０１内にＥＣＲプラズマを形成させることができる。 For example, after the plasma generation chamber 201 and the film formation chamber 202 are evacuated to a predetermined pressure by an exhaust mechanism (not shown) communicating with the film formation chamber 202, N 2 gas, O 2 gas, and the like are introduced from the introduction pipe 207. Is introduced and maintained at a predetermined pressure. In this state, if a microwave of 2.45 GHz is introduced into the plasma generation chamber 201 through the quartz window 206 and a magnetic field of 0.0875 T is supplied from the magnetic coil 204 to obtain an electron cyclotron resonance condition, ECR plasma can be formed in the generation chamber 201.
また、上述したことにより生成されたＥＣＲプラズマは、磁気コイル２０４の発散磁場により、プラズマ生成室２０１から、これに連通する成膜室２０２の側に放出され、放出されたＥＣＲプラズマ２１０は、基板台２０３上の基板２０９上に照射される状態となる。 Further, the ECR plasma generated as described above is emitted from the plasma generation chamber 201 to the side of the film formation chamber 202 that communicates with the divergent magnetic field of the magnetic coil 204, and the released ECR plasma 210 is transferred to the substrate. The substrate 209 on the table 203 is irradiated.
このとき、導入管２０８によりＳｉＣｌ4などの原料ガスを導入すれば、この原料ガスは、ＥＣＲプラズマ２１０により分解が促進された状態となり、基板２０９上に供給される。この結果、基板２０９の上に、ＳｉＮやＳｉＯＮなどの導波路材料膜が形成できる。導入管２０７よりＯ2ガスを導入せずにＮ2ガスを導入すれば、ＳｉＮからなる導波路材料膜が形成できる。また、導入管２０７よりＮ2ガスおよびＯ2ガスを導入すれば、ＳｉＯＮからなる導波路材料膜が形成できる。なお、温度制御部による成膜中の温度制御により、形成される導波路材料膜の応力を変化させることができる。 At this time, if a source gas such as SiCl 4 is introduced through the introduction pipe 208, the source gas is brought into a state in which decomposition is promoted by the ECR plasma 210 and is supplied onto the substrate 209. As a result, a waveguide material film such as SiN or SiON can be formed on the substrate 209. If N 2 gas is introduced without introducing O 2 gas from the introduction pipe 207, a waveguide material film made of SiN can be formed. Further, if N 2 gas and O 2 gas are introduced from the introduction pipe 207, a waveguide material film made of SiON can be formed. The stress of the waveguide material film to be formed can be changed by temperature control during film formation by the temperature control unit.
上述した構成の装置において、導入管２０７より、例えば、Ｎ2ガスやＯ2ガスなどとともに、Ｈ2ガスやＤ2ガスを導入すれば、導入したガスはプラズマ生成室２０１中で生成しているプラズマによりエネルギーが与えられイオン化し、水素イオン（重水素イオン）が生成する。この結果、基板２０９上に堆積されている導波路材料膜に対して水素イオン（重水素イオン）が供給できる。 In the apparatus having the above-described configuration, for example, if H 2 gas or D 2 gas is introduced from the introduction pipe 207 together with N 2 gas or O 2 gas, the introduced gas is generated in the plasma generation chamber 201. Energy is given by the plasma to ionize it to generate hydrogen ions (deuterium ions). As a result, hydrogen ions (deuterium ions) can be supplied to the waveguide material film deposited on the substrate 209.
以下、上述した装置を用いた導波路材料膜の形成について、より詳細に説明する。 Hereinafter, the formation of the waveguide material film using the above-described apparatus will be described in more detail.
はじめに、Ｈ+を供給する場合について説明する。例えば、ＳｉＮの成膜には、各ガスの流量を以下のように設定する。ＳｉＣｌ4は、３ｓｃｃｍ、Ｎ2は、１０ｓｃｃｍ、Ｈ2は、１ｓｃｃｍである。また、ＳｉＯＮの成膜には、プラズマガスの原料としてＯ2を添加すれば良い。また、プラズマガスの原料を、Ｏ2／（Ｎ2＋Ｏ2）流量比を０〜１．０の間で変えることで、形成されるＳｉＯＮ膜の屈折率を変化させる。 First, the case where H + is supplied will be described. For example, for the deposition of SiN, the flow rate of each gas is set as follows. SiCl 4 is 3 sccm, N 2 is 10 sccm, and H 2 is 1 sccm. For the SiON film formation, O 2 may be added as a plasma gas source. Moreover, the refractive index of the SiON film to be formed is changed by changing the O 2 / (N 2 + O 2 ) flow rate ratio between 0 and 1.0 as the plasma gas raw material.
水素イオンの供給を実施せず、ＳｉＣｌ4に対して窒素プラズマのみを作用させた場合には、膜表面におけるＳｉ−Ｃｌ基とプラズマとの反応は、例えば「２Ｓｉ−Ｃｌ＋２Ｎ+＋２ｅ-→２Ｓｉ−Ｎ＋Ｃｌ2↑」となる。この反応系では、Ｃｌ脱離は完全にＮ+イオンに依存するものになる。Ｎ+イオンの酸化力は弱いために窒化反応が進まず、また膜中にＳｉ−Ｃｌ基が多く残留した状態で、ＳｉＮが堆積されて導波路材料膜が形成されてしまう。 In the case where only nitrogen plasma is allowed to act on SiCl 4 without supplying hydrogen ions, the reaction between the Si—Cl group and the plasma on the film surface is, for example, “2Si—Cl + 2N + + 2e − → 2Si−. N + Cl 2 ↑ ”. In this reaction system, Cl desorption is completely dependent on N + ions. Since the oxidizing power of N + ions is weak, the nitriding reaction does not proceed, and SiN is deposited in a state where many Si—Cl groups remain in the film to form a waveguide material film.
これに対し、本発明における水素イオンの基板上への供給を実施すると、成膜時には導波路材料膜表面のＳｉ−Ｃｌ基に対し、プラズマ中のＮ+やＨ+によって、例えば「Ｓｉ−Ｃｌ＋Ｎ+＋Ｈ+＋２ｅ-→Ｓｉ−Ｎ＋ＨＣｌ↑」の反応が生じる。この反応式に示す通り、水素イオンが供給される場合には、Ｃｌの脱離が進み、導波路材料膜中のＳｉ−Ｃｌ基が低減できる。このため、形成した後の大気中のＨ2Ｏとの反応による酸化が抑制され、高い屈折率が維持されたＳｉＮ膜やＳｉＯＮ膜が安定に得られる。 On the other hand, when hydrogen ions are supplied onto the substrate in the present invention, the Si—Cl group on the surface of the waveguide material film is formed by N + or H + in the plasma, for example, “Si—Cl + N” at the time of film formation. + + H + + 2e − → Si—N + HCl ↑ ”occurs. As shown in this reaction formula, when hydrogen ions are supplied, desorption of Cl proceeds and Si—Cl groups in the waveguide material film can be reduced. For this reason, oxidation by reaction with H 2 O in the air after formation is suppressed, and a SiN film or SiON film maintaining a high refractive index can be obtained stably.
なお、水素イオンの供給を実施することで、通信波長帯での吸収損失を生じるＮ−Ｈ基が膜中に発生する場合がある。しかし、ハロゲン系シリコン化合物からなる原料ガスを用いる場合、ＳｉＨ4やＳｉ2Ｈ6をＳｉ供給源として用いた場合に比較し、導波路材料膜中の水素量が大きく低減されるため、Ｎ−Ｈ基も少なく、Ｎ−Ｈ基による吸収損失も大きく低減され、実用上問題ない。 Note that, by supplying hydrogen ions, NH groups that cause absorption loss in the communication wavelength band may be generated in the film. However, when a source gas made of a halogen-based silicon compound is used, the amount of hydrogen in the waveguide material film is greatly reduced as compared with the case where SiH 4 or Si 2 H 6 is used as the Si supply source. There are few H groups, the absorption loss by N—H groups is greatly reduced, and there is no practical problem.
次に、Ｄ+を供給する場合について説明する。例えば、ＳｉＮの成膜には、各ガスの流量を以下のように設定する。ＳｉＣｌ4は、３ｓｃｃｍ、Ｎ2は、１０ｓｃｃｍ、Ｄ2は、１ｓｃｃｍである。また、ＳｉＯＮ成膜には、プラズマガスの原料としてＯ2を添加すれば良い。また、Ｏ2／（Ｎ2＋Ｏ2）流量比を０〜１．０の間で変えることで、形成されるＳｉＯＮ膜の屈折率を変化させることができる。 Next, the case where D + is supplied will be described. For example, for the deposition of SiN, the flow rate of each gas is set as follows. SiCl 4 is 3 sccm, N 2 is 10 sccm, and D 2 is 1 sccm. For SiON film formation, O 2 may be added as a plasma gas source. Further, the refractive index of the formed SiON film can be changed by changing the flow rate ratio of O 2 / (N 2 + O 2 ) between 0 and 1.0.
前述したように、水素イオンの供給を実施しない場合、Ｓｉ−Ｃｌ基が多く残留した状態で、ＳｉＮが堆積されて導波路材料膜が形成される。これに対し、上述したガス構成で水素イオンの基板上への供給を実施すると、成膜時には膜表面のＳｉ−Ｃｌ基に対し、プラズマ中のＮ+やＤ+によって、例えば「Ｓｉ−Ｃｌ＋Ｎ+＋Ｄ+＋２ｅ-→Ｓｉ−Ｎ＋ＤＣｌ↑」反応が生じる。この反応式に示す通り、Ｄ+が供給された場合には、Ｃｌ元素の脱離が進み、導波路材料膜中のＳｉ−Ｃｌ基が低減できる。このため、Ｄ+を供給する構成においても、形成した後の大気中のＨ2Ｏとの反応による酸化が抑制され、高い屈折率が維持されたＳｉＮ膜やＳｉＯＮ膜が安定に得られる。 As described above, when the supply of hydrogen ions is not performed, SiN is deposited and a waveguide material film is formed with a large amount of Si—Cl groups remaining. On the other hand, when hydrogen ions are supplied onto the substrate in the above-described gas configuration, for example, “Si—Cl + N + ” is generated by N + or D + in the plasma against Si—Cl groups on the film surface during film formation. + D + + 2e − → Si—N + DCl ↑ ”reaction occurs. As shown in this reaction formula, when D + is supplied, the desorption of Cl element proceeds, and Si—Cl groups in the waveguide material film can be reduced. For this reason, even in the configuration in which D + is supplied, oxidation due to reaction with H 2 O in the air after formation is suppressed, and a SiN film or SiON film maintaining a high refractive index can be stably obtained.
なおＤ+の供給を実施することで、Ｎ−Ｄ基が膜中に発生するが、Ｎ−Ｄ基による吸収はλ＝２．１μｍで、Ｎ−Ｈ基の固有振動数（λ＝１．５μｍ）と大きく異なり、通信波長帯から外れるため、実用上問題は無い。 By supplying D + , ND groups are generated in the film, but absorption by the ND groups is λ = 2.1 μm, and the natural frequency of the N—H group (λ = 1. This is significantly different from 5 μm), and is out of the communication wavelength band, so there is no practical problem.
ところで、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置は、０．０１〜１Ｐａ程度の低ガス圧でプラズマを安定に発生することができ、導波路材料の膜堆積時には、０．１〜０．５Ｐａ程度のガス圧を用いる。ＥＣＲプラズマは、低ガス圧で高エネルギーに電子を加速するため、プラズマ生成室に導入されたガスを高効率にイオン化できる。このため、ＥＣＲモードを用いない（持たない）プラズマＣＶＤ法などではイオン化が難しい窒素や水素が、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置によれば効率よくイオン化できる。 By the way, the ECR plasma CVD apparatus can stably generate plasma at a low gas pressure of about 0.01 to 1 Pa, and uses a gas pressure of about 0.1 to 0.5 Pa when depositing a waveguide material film. . Since the ECR plasma accelerates electrons to high energy at a low gas pressure, the gas introduced into the plasma generation chamber can be ionized with high efficiency. For this reason, nitrogen and hydrogen that are difficult to ionize by a plasma CVD method that does not use (does not have) the ECR mode can be efficiently ionized by the ECR plasma CVD apparatus.
さらにＥＣＲプラズマＣＶＤ法では、プラズマ流内で形成される電界によってイオンが加速され、このイオン照射により基板表面にエネルギーを与えることで膜形成が促進されているため、加熱機構を用いて加熱することなく緻密で良質な膜が形成される。 Furthermore, in the ECR plasma CVD method, ions are accelerated by an electric field formed in the plasma flow, and film formation is promoted by applying energy to the substrate surface by this ion irradiation. Therefore, heating is performed using a heating mechanism. A dense and high-quality film is formed.
以上のことにより、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法を用いた成膜では、配線工程などにおけるプロセス温度を下回ることが可能となり、同一チップ上の電子デバイスや金属配線に負荷をかけることがない。 As described above, in the film formation using the ECR plasma CVD method, it is possible to lower the process temperature in the wiring process and the like, and no load is applied to the electronic device and the metal wiring on the same chip.
なお、上述では、ＳｉＣｌ4ガスに対するプラズマの反応を示したが、Ｓｉ系ガスにＳｉ2Ｃｌ6、ＳｉＨＣｌ3、ＳｉＨ2Ｃｌ2、ＳｉＨ3Ｃｌ、ＳｉＤＣｌ3、ＳｉＤ2Ｃｌ2、ＳｉＤ3Ｃｌを用いた場合でも同様の反応が起こるため、屈折率が制御された緻密なＳｉＮ膜やＳｉＯＮ膜ができる。 In the above description, the plasma reaction to the SiCl 4 gas is shown. However, Si 2 Cl 6 , SiHCl 3 , SiH 2 Cl 2 , SiH 3 Cl, SiDCl 3 , SiD 2 Cl 2 , and SiD 3 Cl are added to the Si-based gas. Since the same reaction occurs even when used, a dense SiN film or SiON film having a controlled refractive index can be formed.
また、ＳｉＦ4、Ｓｉ2Ｆ6、ＳｉＨＦ3、ＳｉＨ2Ｆ2、ＳｉＨ3Ｆ、ＳｉＤＦ3、ＳｉＤ2Ｆ2、ＳｉＤ3Ｆガスでも同様に、「Ｓｉ−Ｆ＋Ｎ+＋Ｈ+＋２ｅ-→Ｓｉ−Ｎ＋ＨＦ↑」などの反応で、屈折率が制御された緻密なＳｉＮ膜やＳｉＯＮ膜ができる。また、Ｈ+の供給は、Ｈ2に限らず、ＮＨ3を用いてもよい。また、Ｄ+の供給は、Ｄ2に限らず、ＮＤ3を用いてもよい。 Similarly, SiF 4 , Si 2 F 6 , SiHF 3 , SiH 2 F 2 , SiH 3 F, SiDF 3 , SiD 2 F 2 , and SiD 3 F gas are similarly expressed as “Si-F + N + + H + + 2e − → Si−. By a reaction such as “N + HF ↑”, a dense SiN film or SiON film having a controlled refractive index can be formed. The supply of H + is not limited to H 2 , and NH 3 may be used. The supply of D + is not limited to D 2 , and ND 3 may be used.
以上に説明したように、本発明では、ハロゲン系シリコン化合物からなる原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によるＳｉＮまたはＳｉＯＮからなる導波路材料膜の形成において、原料ガスとは別の水素供給ガスより、水素イオンまたは重水素イオンを生成して供給するようにした。この結果、本発明によれば、光吸収が生じる結合基や、Ｏ2，Ｈ2Ｏ，酸化性ガスなどを起因とする雰囲気の酸素との結合（酸化）による屈折率の低下を招く結合基などの生成を抑制し、高屈折率で安定したＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜が形成できる As described above, in the present invention, in the formation of the waveguide material film made of SiN or SiON by the plasma CVD method using the raw material gas made of a halogen-based silicon compound, from a hydrogen supply gas different from the raw material gas, Hydrogen ions or deuterium ions were generated and supplied. As a result, according to the present invention, a linking group that causes light absorption or a linking group that causes a decrease in refractive index due to bonding (oxidation) with oxygen in an atmosphere caused by O 2 , H 2 O, an oxidizing gas, or the like. Stable SiN film or SiON film with high refractive index can be formed.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.
２０１…プラズマ生成室、２０２…成膜室、２０３…基板台、２０４…磁気コイル、２０５…矩形導波管、２０６…石英窓、２０７…導入管、２０８…導入管、２０９…基板、２１０…ＥＣＲプラズマ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 201 ... Plasma production | generation chamber, 202 ... Deposition chamber, 203 ... Substrate stand, 204 ... Magnetic coil, 205 ... Rectangular waveguide, 206 ... Quartz window, 207 ... Introduction tube, 208 ... Introduction tube, 209 ... Substrate, 210 ... ECR plasma.
Claims (5)
前記原料ガスとは別の、重水素を含む水素供給ガスより重水素イオンを生成し、生成した重水素イオンを前記基板の上に供給して前記導波路材料膜を形成する
ことを特徴とする導波路材料膜の形成方法。 A step of supplying a source gas composed of a halogen-based silicon compound on the substrate by a plasma CVD method to form a waveguide material film composed of SiN or SiON on the substrate;
The separate from the raw material gas, characterized in that to produce a deuterium ion Ri by hydrogen feed gas containing heavy hydrogen, the resulting heavy hydrogen ions are supplied onto the substrate to form the waveguide material film A method for forming a waveguide material film.
前記ハロゲン系シリコン化合物は、ＳｉＣｌ4，Ｓｉ2Ｃｌ6，ＳｉＨＣｌ3，ＳｉＨ2Ｃｌ2，ＳｉＨ3Ｃｌ，ＳｉＤＣｌ3，ＳｉＤ2Ｃｌ2，ＳｉＤ3Ｃｌ，ＳｉＦ4，Ｓｉ2Ｆ6，ＳｉＨＦ3，ＳｉＨ2Ｆ2，ＳｉＨ3Ｆ，ＳｉＤＦ3，ＳｉＤ2Ｆ2，ＳｉＤ3Ｆの少なくとも１つから構成する
ことを特徴とする導波路材料膜の形成方法。 The method for forming a waveguide material film according to claim 1,
The halogen-based silicon compounds include SiCl 4 , Si 2 Cl 6 , SiHCl 3 , SiH 2 Cl 2 , SiH 3 Cl, SiDCl 3 , SiD 2 Cl 2 , SiD 3 Cl, SiF 4 , Si 2 F 6 , SiHF 3 , A method for forming a waveguide material film, comprising: at least one of SiH 2 F 2 , SiH 3 F, SiDF 3 , SiD 2 F 2 , and SiD 3 F.
前記水素供給ガスは、Ｄ 2 ，ＮＤ3の少なくとも１つから構成する
ことを特徴とする導波路材料膜の形成方法。 In the formation method of the waveguide material film according to claim 1 or 2,
The method for forming a waveguide material film, wherein the hydrogen supply gas is composed of at least one of D 2 and N D 3 .
プラズマＣＶＤ法は、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法であることを特徴とする導波路材料膜の形成方法。 In the formation method of the waveguide material film according to any one of claims 1 to 3,
A method for forming a waveguide material film, wherein the plasma CVD method is an ECR plasma CVD method.
前記水素供給ガスは、ＥＣＲプラズマを生成するプラズマ生成室に供給し、前記水素供給ガスのプラズマより水素イオンまたは重水素イオンを生成する
ことを特徴とする導波路材料膜の形成方法。 The method for forming a waveguide material film according to claim 4,
The method for forming a waveguide material film, wherein the hydrogen supply gas is supplied to a plasma generation chamber that generates ECR plasma, and hydrogen ions or deuterium ions are generated from the plasma of the hydrogen supply gas.
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